CARACTERIZAREA EMISIILOR POLUANTE DIN FABRICILE DE CIMENT. INFLUENȚELE ACESTORA ASUPRA MEDIULUI ȘI OMULUI

Transcription

1 CARACTERIZAREA EMISIILOR POLUANTE DIN FABRICILE DE CIMENT. INFLUENȚELE ACESTORA ASUPRA MEDIULUI ȘI OMULUI Cristina SESCU-GAL, ing. drd. UTCB, Gheorghe Petre ZAFIU, prof. dr. ing. UTCB. ABSTRACT: This paper presents an analysis of emissions from cement production and their effects on humans and the environment. Through this it confirm the need to reduce harmful emissions and their control through continuous monitoring so that their level does not exceed the threshold limit. Producerea cimentului implică în mod inerent degajarea unor cantități de emisii care contribuie la poluarea atmosferei. Cercetările efectuate în acest domeniu au avut ca scop stabilirea unor valori limită maxime a concentrațiilor substanțelor poluante în aer, astfel încât să fie protejate sănătatea populației și mediul înconjurător. Conform HG 128/2002, valorile limită de emisie reprezintă- masa exprimată în termenii parametrilor specifici, concentrația și/sau nivelul unei emisii, care nu poate fi depasit în cursul uneia sau mai multor perioade de timp. 1. EMISII SPECIFICE TEHNOLOGIEI DE FABRICARE A CIMENTULUI În procesul tehnologic de fabricare a cimentului se identifică o multitudine de poluanți, care apar pe tot fluxul tehnologic. Emisiile specifice tehnologiei de fabricare a cimentului sunt determinate de tipul echipamentelor tehnologice și a materiilor utilizate, respectiv materii prime și combustibili. În fig. 1 se prezintă principalii factori care influențează nivelul și tipul emisiilor. Emisiile importante privind poluarea dintr-o fabrică de ciment sunt oxizii de azot (NO X ), oxizii de sulf (SO X ), praful, emisiile de oxizi de carbon (CO, CO 2 ), compușii organici volatili (VOC), dibenzodioxinele policlorinate (PEDDs), dibenzofuranii (PeDFs), metalele grele și nivelul sonor [4]. Emisiile poluante sunt substanțe formate dintr-un singur element sau substanțe compuse din elemente chimice care se formează în urma reacțiilor din procesul tehnologic și arderea combustibililor. În tabelul 1 se prezintă descrierea principalelor substanțe emise în procesul de fabricare a cimentului. Din punct de vedere ecologic există o deosebire destul de importantă între diferitele categorii de poluanți; astfel se deosebesc [8]. Noxe care daunează direct organismului uman: SO 2 (bioxid de sulf), NO 2, CO (monoxid de carbon); Noxe care acționează direct asupra vegetatiei: SO 2, NO 2 ; Noxe persistente în soluri care în cazul lanțului trofic plantă animal om se acumulează devenind toxice pentru organismul uman: Pb, As, Cd; Noxe care stau la baza formării de acizi: SO 2, SO 3, NO 2 ;

2 Noxe care determină factorii de infulență ai climei conducând la apariția efectului de seră al pământului, CO 2 și la distrugerea stratului natural de ozon din troposferă, N 2 O. Surse de emisii Factori de influență Figura 1 Sursele de apariție a emisiilor dintr-o fabrică de ciment și factorii de influență a acestora Tabelul 1 Descrierea substanțelor poluante Nr. crt. Poluant Descriere 1. Oxizi de azot - NO X Oxizii de azot sunt combinații chimice sub formă gazoasă ale azotului în raporturi diferite cu oxigenul în funcție de gradul de oxidare. Oxizii de azot sunt combinații chimice care nu iau naștere spontan ci numai prin absorbție de energie, cu excepția protoxidului de azot care este folosit ca narcotic, în ceilalți oxizi formează în contact cu apa acizi, liberi în aer sub acțiunea razelor UV eliberează ozon fiind dăunător mediului înconjurător. 2. Dioxidul de sulf - SO 2 Dioxidul de sulf SO 2 este anhidrida acidului sulfuros H 2 SO 3. El este un gaz incolor, iritant al mucoaselor, cu un miros înțepător și gust acrișor. Gazul este toxic, se dizolvă bine în apă, formând acizi sulfuroși. Dioxidul de sulf ia naștere prin arderea materialelor fosile ce conțin cca. 4% sulf. Aceste procese duc la poluarea intensă a mediului fiind cauza ploilor acide. 3. Pulberi Pulberile reprezintă un sistem de aerosoli în care faza dispersată este constituită din particule inerte, iar faza de dispersie este aerul atmosferic. Pulberile reprezintă particule mici, solide, prezente în atmosfera locurilor de muncă şi care pot fi nocive pentru sănătate, în special când sunt inhalate. 4. Oxizi de carbon CO, CO 2 Monoxidul de carbon reprezintă o combinație între un atom de carbon și un atom de oxigen (formula chimică: CO). Este un gaz asfixiant, toxic, incolor și inodor, care ia naștere printr-o ardere (oxidare) incompletă a substanțelor care conțin carbon. Acest proces are loc în cazul arderii la temperaturi înalte într-un loc

3 5. Compuși organici volatili - VOC 6. Dibenzodioxinele policlorinate (PEDDs), și dibenzofuranii (PeDFs), sărac în oxigen, formându-se monoxidul în locul bioxidului de carbon. Monoxidul de carbon nu întreține arderea. Monoxidul este un gaz inflamabil care arde cu o flacără albastră. Dioxidul de carbon, format dintr-un atom de carbon și doi atomi de oxigen este o anhidridă labilă a acidului carbonic (CO 2. H 2 O ~ H 2 CO 3 ), un compus chimic rezultat din oxidarea carbonului, în majoritate, de origine organică. Prezent în atmosferă în concentrația de circa 0,04% este strict necesar pentru păstrarea echilibrului biosferei. Dioxidul de carbon este un gaz incolor. Compuşii organici volatili VOC sunt compuși chimici care au o presiune a vaporilor crescută, de unde rezultă volatilitatea ridicată a acestora. Sunt reprezentați de orice compus organic care are un punct de fierbere inițial mai mic sau egal cu 250 o C, măsurat la o presiune standard de 101,3 kpa. Există aproximativ 150 compuși cu această proprietate, predominând hidrocarburile cu 4-12 atomi de carbon (parafine, oleine, aromatice). Dioxină este denumirea uzuală pentru un grup de câteva sute de substanțe cu structură chimică și proprietăți biologice asemănătoare (dibenzo-p-dioxine policlorurate PCDD). Aceste substanțe au potențial toxic și cancerigen. Cea mai toxică și cea mai studiată este 2,3,7,8 tetraclorodibenzo-p-dioxin (TCDD). Conținutul de dioxine este suma policlorodibenzo-paradioxinelor (PCDD) și a policlorodibenzofuranilor (PCDF), exprimată în echivalente toxice ale Organizației Mondiale a Sănătății (OMS) pentru aplicarea TEF-OMS (factori de echivalență toxică, 1997). Conținutul se exprimă în conținut superior, cu alte cuvinte conținuturile se calculează presupunând că toate valorile elementelor înrudite diferite mai mici decât pragul de detecție sunt egale cu pragul de detecție 7. Metalele grele Metale grele este un termen folosit pentru metalele care au o densintate mai mare decât 5kg/dm³, și sunt în general toxice, rezidurile lor producând poluarea mediului înconjurător. Compuşii metalelor pot fi împărţiţi în trei categorii pe baza volatilităţii metalelor şi a sărurilor lor: - metalele care sunt sau au compuşi care sunt refractari sau nonvolatili: Ba,Be,Cr,As,Ni,V,Al,Ti, Ca,- Fe, Mn, Cu şi Ag; - metalele care sunt sau au compuşi care sunt semi-volatili: Sb, Cd, Pb, Se, Zn, Kşi Na; - metalele care sunt sau au compuşi care sunt volatili: Hg şi Tl Agenţii poluanţi se pot caracteriza prin [6]: a) Limita de concentraţie - pentru care o substanţă poate prezenta un efect poluant. Se mai numeşte şi concentraţie maxim admisă. Limitele de concentraţii sunt diferite, în funcţie de natura poluantului, de natura producătorului şi de ţara de emisie. Unii poluanţi pot prezenta toxicitate pentru organisme, deci producerea de efecte acute, manifestate la timp scurt după contactul organism-agent poluant, sau de efecte cronice, manifestate pe o durată mare de timp, de la expunere. In afară de concentraţia maxim admisă, aceşti poluanţi se caracterizează prin: doză letală, concentraţie letală şi timp letal. b) Gradul de persistenţă în mediu - diferă de la poluant la poluant şi poate fi influenţat de condiţiile meteo (de exemplu starea de calm şi ceaţa împiedică dispersarea). Timpul de staţionare (sau de persistenţă) în mediu poate fi scurt (NH 3 persistă 2 zile, SO 2 : 4 zile, NO X : 5 zile) sau lung, de câţiva ani. De exemplu: CO persistă 2-3 ani în atmosferă, CO 2 : 4 ani, hidrocarburile RH: 16 ani, freonii:

4 100 ani, fierul aproximativ 100 ani, Al aproximativ 500 ani, masele plastice 250 ani, sticla ani etc. În acest timp, poluanţii se concentrează, se amestecă, interacţionează între ei şi cu mediul, atrăgând efecte deosebite asupra biocenozelor. c) Influenţele reciproce dintre poluanţi - pot fi multiple şi analiza lor se efectuează la lansarea de noi produse, la amplasarea de noi unităţi economice, la stabilirea măsurilor de protecţie a mediului. Se pot observa următoarele efecte, în cazul prezenţei mai multor poluanţi într-o zonă: - efecte sinergetice, deci o amplificare a efectelor poluante, mai mare decâtsimpla însumare a efectelor individuale ale poluanţilor (de exemplu, ploile acide, provenite din emisii de SOx sau NOx şi apă, produc la plante, vieţuitoare, om şi construcţii, efecte nocive mai puternice decât gazele uscate, sau apa, luate separat); - efecte antagonice, respectiv anihilarea reciprocă a efectelor poluante între agenţii poluanţi - anergism, respectiv lipsa unor influenţe reciproce între acţiunile poluanţilor (în mediu există aruncate mase plastice, lemn, metale, care nu se influenţează); - eutrofizare - intensificarea poluării secundare; în ape cu circuit ridicat de azot şi fosfor şi sub influenţa căldurii proliferează vegetaţia, producând scăderea conţinutului de O 2 din apă, reducerea faunei. Iarna, plantele putrezesc, elimină gaze (H 2 S, CH 4, CO 2 etc.). 2. NIVELURILE DE EMISII SPECIFICE ECHIPAMENTELOR TEHNOLOGICE DIN FABRICILE DE CIMENT Fiecare fază din procesul tehnologic de fabricare a cimentului constituie un punct de emisie a poluanților. Nivelurile limită ale emisiilor sunt stabilite de către Agenția Teritorială de Mediu care emite autorizația de funcționare și sunt specifice fiecărei instalații/echipament în parte. Valorile limită impuse pentru echipamentele tehnologice/instalații sunt în concordanță cu gradul lor de tehnologizare, astfel că pentru instalațiile noi, numite instalații de tip III, aceste niveluri sunt mai mici decât pentru instalațiile existente, numite de tip I și II. Echipamentele pentru măcinare utilizate frecvent în fabricile de ciment sunt: - mori tubulare cu bile în instalațiile de măcinare-uscare, pentru materiale cu umiditate inițială < 6%; - mori autogene, - mori cu ciocane pentru măcinare preliminară a materialelor cu duritate < 3,5 pe scara Mohs. Principalul poluant rezultat în aceste instalații este emisia de pulberi, pentru care valorile limită impuse sunt prezentate în tabelul 2. Echipament Tip emisie VLE conform BAT/BREF mg/nm 3 Moară de faină Moara de ciment Moară combustibili Pulberi totale Pulberi totale Pulberi totale Tabelul 2 Valori limită ale emisiilor de pulberi în instalațiile de măcinare Instalații existente-tip I și II Instalație nouătip III VLE* VLE* VLE* Lafarge Holcim Heidelberg / / *valorile sunt specifice unor anumite instalații; ele diferă funcție de materiile prime utilizate, de combustibili folosiți precum și condițiile geografice

5 Se poate observa că pentru instalațiile noi VLE stabilite sunt identice cu cele conform BAT/BREF care sunt stabilite pentru cele mai bune tehnologii pentru industria cimentului. Echipamentele și instalațiile de clincherizare utilizate cu precădere sunt cele cu cuptor cu schimbător de căldură în suspensie de gaze și precalcinator. Această instalație constă în amenajarea ultimei trepte a schimbătorului de căldură în suspensie cu o treaptă de echicurent sau a ultimei zone a schimbătorului în contracurent, pentru arderea în acest spațiu a unei părți din combustibilul necesar clincherizării. Procesul de clincherizare este cea mai importantă fază din punct de vedere al emisiilor. Acestea sunt rezultate din procesul de formare a clincherului precum și din arderea combustibililor pentru realizarea temperaturilor ridicate necesare. Principalele tipuri de emisii sunt: pulberi, NOx, SO X, CO, HCl, HF, TOC, metale, PCDD/PCDF etc, iar valorile limită stabilite sunt prezentate în tabelul 3. Tabelul 3 Valori limită ale emisiilor de pulberi în instalațiile de clincherizare Echipament Tip emisie VLE conform BAT/BREF mg/nm 3 Instalații existente-tip I și II Instalație nouătip III VLE* VLE* VLE* Cuptoare de clincher Lafarge Holcim Heidelberg Pulberi NO X SO CO TOC Cd+Ti 0,01-0,3 0,05 0,05 0,05 0,05 Hg 0,01-0,3 0,05 0,05 0,5 Sb+As+Pb+ Cr+Co+Cu+ Mn+Ni+V 0,05-0,3 0,5 0,5 0,5 0,05 0,1 0,1 0,1 0,1 HCl 0, ,0 HF 0,4-5 1,0 1,0 1,0 1,0 Dioxine si 0,1-0,5 benzofurani PCDD/PCDF ng/nm 3 ng/nm 3 ng/nm 3 ng/nm 3 ng/nm 3 *valorile sunt specifice unor anumite instalații; ele diferă funcție de materiile prime utilizate, de combustibili folosiți precum și condițiile geografice Răcitoarele de clincher folosite sunt răcitoarele de tip tambur, răcitoarele planetare și răcitoare grătar. Principalul poluator al acestei faze tehnologice este emisia de pulberi. Emisii difuze de praf apar și la depozitarea și manipularea materiilor prime, a combustibililor şi clincherului şi de la traficul de vehicule în incinta fabricilor. Pentru toate aceste instalații valorile limită impuse sunt de 50 mg/nm 3, mai mari față de cele conform BAT/BREF de 30 mg/nm INFLUENȚELE EMISIILOR ASUPRA MEDIULUI ȘI OMULUI Influența directă a poluării aerului asupra sănătății populației constă în modificările ce apar în organismul persoanelor expuse, ca urmare a contactului lor cu diferiți poluanți atmosferici. De cele mai multe ori, acțiunea directă a poluării aerului este rezultanta interacțiunii mai multor poluanți prezenți concomitent în atmosfera și numai arareori acțiunea unui singur poluant. Specialiştii în medicină şi ecologie au stabilit o legătură directă între degradarea mediului şi creşterea numărului

6 de persoane care suferă de alergii, astm, cancer şi alte boli. Poluanţii principali care acţionează negativ asupra oragnismului uman sunt: oxizii de azot, dioxidul de sulf, ozonul troposferic, monoxidul de carbon, aldehida formică, fenolii, pulberile în suspensie [5]. Efectele asupra sănătăţii populaţiei pot fi: - directe (poluanţii influenţând nemijlocit starea de sănătate); - indirecte, prin intermediul condiţiilor de mediu afectate de poluanţi. La rândul lor, efectele directe pot apare imediat, sau după un timp mai îndelungat de contact cu agentul poluant. Amestecul de oxizi de azot, dintre care în cea mai mare concentraţie este dioxidul de azot, reprezintă gaze cu potenţial toxic ridicat, caracterul iritant fiind predominant. Prezența lui în atmosferă atacă mucoasele, căile respiratorii, transformă oxihomoglobina în metahomoglobină conducând la paralizie. Acţiunea cronică şi repetată a anumitor doze toxice, poate determina însă leziuni deosebit de grave ale căilor respiratorii profunde. Prin caracterul toxic și agresiv specific, oxizi de azot sunt extreme de periculoși pentru organismul uman. Expunerea îndelungată la oxizi de azot chiar la o concentrație de 0,05 ppm slăbește foarte mult rezistența organismului uman, conducând la o sensibilizare față de infecțiile bacteriene. De asemenea, oxizii de azot contribuie la formarea ploilor acide şi favorizează acumularea nitraţilor la nivelul solului care pot provoca alterarea echilibrului ecologic ambiental. Prezenţa dioxidului de sulf este remarcată prin miros şi acţiunea iritantă asupra mucoaselor, efectele fiind legate în principal de alterarea funcţiei respiratorii. Expunerea repetată la concentraţii mari pe termen scurt, combinată cu expunerea pe termen lung la concentraţii mai mici creşte riscul apariţiei bronşitelor cronice, în special la fumători, iar expunerea pe termen lung la concentraţii mici este resimţită în general de astmatici, oameni în vârstă şi copii. Efectul asupra plantelor este dependent de concentraţia dioxidului de sulf, de specia plantei şi de vârsta părţilor plantei. Coniferele sunt cel mai mult afectate în perioada de activitate maximă a plantei, primăvara şi începutul verii, prin leziuni de culoare roşcată şi decolorarea parţială sau totală. În timpul iernii, se produce schimbarea culorii verde închis în verde deschis. Efectul este căderea frunzelor aciculare, în funcţie de sensibilitatea fiecărei specii, cea mai sensibilă fiind lariţa, urmată de anumite soiuri de pin şi brad. Toxicitatea dioxidului de carbon se manifestă la concentraţii ridicate ale acestuia în aer (peste 5000 ppm). La creşterea accentuată a concentraţiei de dioxid de carbon, peste concentraţia normală în aer, apar primele semne ale intoxicaţiei, cunoscută şi sub denumirea de beţie carbonică. Cel mai însemnat neajuns legat de emisia de dioxid de carbon este influenţa pe care o manifestă asupra climei prin efectul de seră. Monoxidul de carbon este un gaz toxic, în concentraţii mari fiind letal (la concentraţii de aproximativ 100 mg/m 3 ) prin reducerea capacităţii de transport a oxigenului în sînge, cu consecinţe asupra sistemului respirator şi a sistemului cardiovascular. La concentraţii relativ scăzute acesta se poate manifesta prin [5]: - afectarea sistemului nervos central; - slăbeşte pulsul inimii, micşorînd astfel volumul de sînge distribuit în organism; - reducerea acuității vizuale şi a capacității fizice; - expunerea pe o perioada scurtă poate cauza oboseală acută; - poate cauza dificultăţi respiratorii şi dureri în piept persoanelor cu boli cardiovasculare;

7 - determină iritabilitate, migrene, respiraţie rapidă, lipsa de coordonare, greaţă, ameţeală, confuzie, reduce capacitatea de concentrare. Intoxicaţia cu monoxid de carbon se produce datorită acumulării gazului în aerul de respirat şi inhalării sale, fără a fi simţită prezenţa sa, datorită faptului că este un gaz incolor, inodor şi neiritant. În tabelul 4 sunt prezentate efectele principalilor poluanți asupra organismului uman la diferite concentrații. Tabelul 4 - Efectele principalilor poluanți asupra organismului uman Nr. Poluant Concentrație Efect crt. 1. SO sau 1% Paralizie respiratorie progresivă - Iritarea părţilor umede ale pielii ce apare după câteva minute, concentraţie mortală Atacă aparatul respirator - ½ 1 oră de expunere poate pune viaţa în pericol funcţie de rezistenta fiecărui subiect Iritarea accentuată a nasului suportarea de către organism scade proporțional cu creșterea concentrației 1,0 10 Iritarea nasului și ochilor - Posibilităţi de suportare în scădere până la o oră cu creşterea concentraţiei spre 10 ppm 0,3 1,0 Se simte prin miros- concentraţii tolerabile 2. SO Suportabil 1 oră 5 15 Suportabil 8 ore 2 5 Prag perceptibil după miros 0,1 0,2 Concentraţie maximă pentru şedere permanentă 3. H 2 SO Moarte rapidă 150 Tulburări după 2 3 ORE 20 Tulburări după 8 ore 2 Concentraţie suportabilă pentru şedere permanentă 4. CO 2000 Simptome grave după 1 oră 100 Tulburări după 8 ore 20 Concentraţie suportabilă pentru şedere permanentă 5. CO Tulburări după 8 ore 6. NH Mortal după ½ ore 100 Tulburări după 8 ore 26 Sesizabil olfactiv 7. Hidrocarburi 500 Tulburări după 8 ore Sursa: [ webbut.unitbv.ro/teze/rezumate/ 2011/rom/ BancilaCiprianMarius.pdf] 4. CONCLUZII Se poate observa ca limitele emisiilor la care acestea devin nocive prin efectele asupra omului si/sau mediului sunt cele care au condus la stabilirea VLE impuse prin lege sau prin documentele normative. Cu toate progresele tehnologice realizate, industria cimentului rămâne în continuare un factor poluant de luat în seamă. Sunt necesare noi cercetări în vederea identificării de noi metode şi mijloace pentru monitorizarea şi diminuarea emisiilor poluante ale fabricilor de ciment.

8 BIBLIOGRAFIE [1] SESCU-GAL C. Monitorizarea emisiilor de la fabricile de ciment, Lucrare de desertație, Februarie, 2012; [2] Rezumat teză doctorat [ webbut.unitbv.ro/teze/rezumate/ 2011/rom/ BancilaCiprianMarius.pdf], accesat noiembrie 2012; [3] V. TUDOR - Modelarea proceselor termo-gazo-dinamice din cazanele de abur de mare putere cu combustibili solizi inferiori, Rezumat teză doctorat, [ accesat noiembrie 2013; [4] Comisia Europeană BAT (2000) - Prevenirea și Controlul Integrat Al Poluării (IPPC) Documentul de referintă privind cele mai bune tehnici disponibile in industria de fabricarea cimentului si varului [ BAT-Industria-de-Prelucrare-a-Cimentului-Si-Varului.], accesat noiemmbrie, 2012; [5] Impactul poluării aerului asupra sănătăţii populaţiei şi mediului înconjurător, [ md/mold/influenta.htm], accesat noiembrie, 2013; [6] Poluanţi şi poluare, [ accesat noiembrie, 2013; [7] Poluarea mediului și sănătatea umană [ SANATATEA%... /], accesat noiembrie, 2013; [8] Substanțele poluante emise de instalațiile energetice; efectele nocive ale poluației, [ regielive.ro/cursuri/energetica/energie-si-mediu-ecologie html], accesat noiembrie 2013; [9] ***[ accesat noiembrie 2013; [10] ***[ accesat noiembrie 2013.